主流数字广播技术比较

1、主流数字广播技术比较陈小忠【摘要】广播由模拟向数字发展已经成为一种趋势,广播系统的数字化改造正在全世界范围内进行,广播数字化的技术也层出不穷。本文介绍了数字广播DAB、DRM和HD RADIO系统,并依次就其国内外发展动态、系统工作原理以及与传统广播相比各自改进的优点等方面进行比较分析。【关键词】DAB DRM HD Radio同时联播1、引言传统模拟广播作为信息传播的一种手段,以方便快捷的特性为大众服务。随着Internet的不断发展,网络流媒体的出现给传统广播的生存提出了巨大挑战。人们对广播服务也有了更高的期望,传统广播的服务内容和音质开始满足不了人们的需求。因此,模拟技术向数字技术转型、

2、实施数字广播是广播技术发展的必然趋势,它为广播服务注入了活力。将传统模拟广播的单一声音业务拓展为能同时传递各种诸如图像、文字、数据、图片及活动影像等数字业务,为传统广播业务的发展开辟了崭新的应用空间。全球地面无线电广播正在向数字技术转型,不同地区的转型方式各不相同,比如加拿大、部分欧洲国家(其中包括英国和德国、亚洲部分地区、澳大利亚和非洲采用的是数字音频广播(DAB;韩国采用的是数字媒体广播(DMB;美国正在采用HD Radio技术(高清无线电广播。另外,还有一种数字无线电广播(DRM技术。对于不同的广播体制,人们可以进行不同的途径探索,宗旨是如何才能更好地利用现有资源,如频段资源等,来为人们

3、进行最好的广播服务,提供更多资讯平台。2、DAB(Digital Audio BroadcastingDAB系统的出现标志着广播系统正由模拟向数字过渡,它以数字技术为基础,采用先进的音频数字编码、数据压缩、纠错编码及数字调制技术,在接收端可获得与原始发送信息相同质量的节目内容。该项技术是欧洲开发的,其发展起源于1980年德国广播技术研究所,以Eureka-147系统针对地面音讯广播技术进行研究,并制定Eureka-147DAB标准,在欧洲地区得到了很好的发展。在中国,数字广播终于进入了实施阶段。据悉,北京、上海、广东、天津、河南等地的电台、电视台正在筹划建立“中国数字音频/多媒体产业联盟”,目

4、的是使全国的电台、电视台相互沟通,完善产业链各个环节。2.1DAB系统的工作原理在DAB系统发射端,输入信号先经过若干个MU-SICAM音频编码器进行信源编码,按照MPEG标准将数据率降低,然后通过复合器将经过数据率压缩的各路信号复合起来,才能送往COFDM编码器和调制器,进行信道编码和调制,产生出中心频率为2.048 MHz、带宽为1.536MHz的COFDM基带信号。DAB 发射机再将低电平COFDM基带信号变为高电平射频信号,对COFDM基带信号进行频率变换和功率放大,将其通过天线发射出去。DAB数据的接收须使用专用的接收设备,在接收端对信号按照与发射端形成的发射信号相反的顺序进行解调处

5、理,最后提供音频广播节目和数据业务。其接收机的高频部分首先是从分配给DAB使用的频段中,选择出所需要的传送声音节目和数据业务的频率块(1.536MHz宽,然后进行频率变换,将高频信号变为中频信号和基带信号;基带信号接着送入COFDM 解调器,以获得相应于发射端通过复合器而形成的传输复合信号;然后经过接收机的同步、解复合器、时间解交织和频率解交织、解码、解扰、源解码器等后,再经D/A转换,送出模拟的声音信号供使用,DAB接收机原理框图如图1所示。2.2DAB系统相比于传统FM广播的优点(1可工作在30M Hz3GHz的频率范围内,抗多径传播引起的衰落能力比较强;(2可利用地面、电缆和卫星进行覆盖

6、,声音质量可达到CD水平,很适合于固定便携和移动接收;(3DAB工作于不同的频段(VHF,UEF,L波段,单频网同步运行节约了频谱资源,而且同步网中不需大功率发射机;(4由DAB技术衍生的DMB是一种多媒体广播,能同时传送多套声音节目和数据业务,也可用来传送活动图像节目。3、DRM(Digital Radio Mondiale在覆盖范围更为广泛和有效的模拟调幅广播领域,其原有缺点的存在影响着其推广和使用。所以,应对这些领域进行技术改进和更新,使用数字技术等手段更好地利用原有的资源,DRM系统便应运而生。DRM是一个非官方的国际组织的名称,由其开发的30MHz以下的长、中、短波数字声音广播系统称

7、为DRM系统。世界范围内共提出了5种不同的数字调幅系统建议,分别是:法国天波2000系统、法国CCETT/TDF系统、美国中波IBOC DSB系统、德国数字音乐之波DM W系统和美国VOA/JPL数字短波系统。其中,前3种系统属于OFDM多载波并行传输方式,而后2种是属于单载波串行传输方式。3.1DRM系统的工作原理图2为DRM系统的结构概况,源编码器和预编码器可将各种输入音频数据流编码压缩成合适的数字传输格式;多路复用将保护等级与所有数据和音频业务结合起来;信道编码器增加一些冗余信息,实现准确无误差传输;映射单元定义了数字化编码信息到QAM 单元的映射;交织单元将连续的QAM单元展开为在时域

8、和频域都分开的准随机的单元序列,以便提供在时间-频率弥散信道中的可靠的传输;导频发生器提供一种在接收机中得到信道状态的方法,估计信号的相关解调;OFDM单元映射器将不同等级的单元集中起来并把它们放在时频栅格中;OFDM信号发生器使用相同的时间标记体现时域的信号,来传送每一组信元。至此,发射端的信号完成编码映射功能。传输时调制器将OFDM符号转换为模拟形式,最后通过发射机发射出去。接收端的处理过程与发射端相反,信道出来的信号先经过主载频解调,低通滤波A/D转换及串并变换后,再进行FFT得到一个符号的数据。对所得数据进行均衡,以校正信道失真。然后进行译码判决和并串变换,即可得到原始音频数据输出。图

9、1DAB接收机原理框图3.2DRM系统相比于模拟AM广播的优点(1DRM系统工作于30MHz以下的频段,可以充分利用现有中短波频谱资源,穿透能力和绕射能力很强,覆盖范围大,适合于移动接收和便携式接收;(2在保持相同覆盖的情况下,数字调幅发射机比模拟调幅发射机的功率低,提高了发射机效率和经济效益;(3在保持现有带宽9kHz或10kHz的情况下,利用音频数据压缩技术和数字信号处理技术,提高调幅波段信号传送的可靠性,增强抗干扰能力,消除短波的衰落,显著提高调幅波段信号传送的音质;(4在所规定的带宽内,可以同时传送一路模拟信号和一路数字信号,便于逐步向全数字广播过渡;(5它也能够提供附加业务和数据传输

10、。4、HD RADIO(High-Definition Radio美国的数字声音广播技术最早是在1992年的国际会议上,以IBOC(In Band on Channel-带内同频道的名称公诸于世的。IBOC技术系统分为在调频波段使用的FM-IBOC和在中波波段使用的AM-IBOC。FM-IBOC的竞争对象是DAB。由于在开始的很多年里,技术尚未成熟,在较长的一段时间中几乎“销声匿迹”。经过改进的AM-IBOC系统建议于2000年底提交给ITU,2001年4月,DRM系统建议与AM-IBOC系统建议均被ITU通过而向全世界公布AM-IBOC成了DRM的竞争者。在2002年以前,FM-IBOC和A

11、M-I-BOC统称HQ DSB(高质量数字声音广播。鉴于在数字电视广播中有HDFM-IBOC和AM-IBOCTV(高清晰度电视,为与其相对应,FM-IBOC和AM-IBOC分别更名为FM HD Radio和AM HD Radio,统称HD Radio (高清晰度广播。4.1HD Radio系统的工作原理HD Radio的工作频率则和当前分配给AM和FM 电台的频率是一样的。利用正交频分复用(OFDM数字技术,HD Radio将新的数字信号放置于现有AM和FM 边带中的任一个之上。在AM波段上(频率为530到1705kHz,常用的模式是同时联播,即将同一个节目以模拟和数字两种格式进行发射。以前的

12、广播将忽略数字内容,而数字广播则会接收数字信号。同时联播也是FM波段(频率为88到108MHz的初始工作模式。FM HD Radio电台还具有多播能力。可以分割其数字OFDM载波,并能产生多达8个的附加广播信道。从本质上讲,HD Radio可以以最小的成本获取多个额外的电台。此外,HD Radio也可以像卫星广播那样提供多种节目。但令人惊讶的是,它却不需要新的频谱。这将有可能成为一个电台的新的广告收入来源,尽管其最初的多播服务是免费的。附加的内容将以更清晰的音乐和谈话节目吸引新的听众。HD Radio将数字技术的优势带入了无线电广播。命名为高音质意味着其音频响应远远大于一般AM广播的5kHz带

13、宽和FM广播的15kHz带宽。现在,频率响应得到改进的AM HD Radio听起来更像是FM广播,而FM广播就差不多有CD音质了。HD Radio真正的创新之处在于它能够使用目前分配给模拟信号的同一频谱来发射额外的数字信号。这和在欧洲、加拿大、亚洲和大多数世界其它地方已经开通了好几年的数字广播是不同的。这一被称为数字音频广播(DAB的系统在174到240MHz VHF和1450到1490MHz这两个不同的范围内采用彼此独立的频谱。这种频谱在美国还未提供,但是iBiquity Digital的图2DRM发射机原理框图图3DRM 接收机原理框图公司开发了HD Radio来解决美国境内的频谱问题。H

14、D Radio有两种基本的工作模式:混合模式和全数字模式。混合模式运作就是模拟和数字信息同时发射。大多数广播(至少在开始的时候都会采用同时联播的方式,相同的内容通过信号中的模拟和数字部分同时发射出去。这种模式确保了旧式的模拟广播和较新的HD模式广播可以全面兼容。最终,HD Radio将会发展成为全数字模式。图4显示了用于AM和FM的混合格式。在AM信号中,正常模拟信号显示的边带与载波频率偏差为±5kHz。一共有两套数字通道。主通道频率范围为10到15kHz,围绕载波频率值上下浮动。副通道频率范围为5到10kHz,围绕载波频率值上下浮动。同样,第三边带的范围在模拟载波以下±5

15、kHz,或者与之相差四分之一个周期。总共有81个OFDM 载波,间隔为181.7Hz。主载波采用64QAM(正交振幅复用方式,而副载波则采用16QAM。第三边带载波则采用正交相移键控(QPSK。当最终音频带宽为大约8kHz时,数字音频的位数据流为36kHz。FM频谱则更复杂一点。如图4(b所示,带多个FM边带的模拟信号的频率约为130kHz,该值围绕载波频率值上下浮动。包含在OFDM载波中的数字数据的工作频率为130到200kHz,围绕模拟边带的频率值上下浮动。上下两个数字频谱各包含了10个分区,每个分区有18个副载波。对这些载波的利用取决于所提供服务的类型。也有用于全数字AM和FM模式的频谱

16、图,它们与此处所描述的混合模式频谱图有所不同。HD Radio发射机和接收机的工作原理如下:首先,音频内容由iBiquity的编解码器进行数字化并压缩,以降低总的比特率和所需传输带宽。然后,该信号与其它待发射数字数据一起被多路传输。复合信号完成了整个附加编码过程,包括加扰、前向纠错(FEC编码和交错。加扰过程将打乱或者说“漂白”数据,以防止产生0或1的长字符串。FEC编码,即Viterbi收缩卷积编码(Viterbi punctured convolution-al encoding,增加了在噪音和衰退情况下信号的可靠性。交错则提供了时间和频率的多样性,从而有助于改善在信号损失情况下对信号的接

17、收。该步骤之后,成型的复合数字信息包被送往进行OFDM映射和生成。最后,该信号和标准模拟信号一起被发射出去。出现在频谱上的数字信息位于常规模拟边带值上下。虽然HD Radio技术十分复杂,但是有了现在的IC技术,制作HD Radio也相对容易了(图5。前端或者调谐器将AM和FM信号转换成中频(IF,一个模数转换器(ADC将IF数字化,以及一个DSP芯片来处理所有剩下的广播功能。然后,数模转换器(DAC会驱动立体声功率放大器。另外还需要一个内置的嵌入式控制器来运行各项功能,包括调谐功能和LCD显示。4.2HD Radio的主要优点:可利用现有频率,不需要额外分配新的频率段;可图4HD Radio

18、混合模式图5HD Radio接收机信号处理原理框图实现模拟/数字同播运行,可以实现模拟广播向数字广播的顺利过渡;投资低,具有可扩展性(附加业务与节目,由于工作频率较低,容易在室内接收。5、结论DAB属于高速、宽带、多路传输系统,系统工作在L和S波段,需要占用新的频段,采用新的发射设备和特殊接收机,而且目前其接收机的价格距离平民化还有一定的距离,影响了在国内的迅速推广。新的DRM广播系统考虑到从模拟广播到数字广播的过渡阶段,直接利用现有的中短波发射机和信道,不仅可以达到很好的音质,还能够实现与原有模拟调幅广播节目的同播,不占用新的频段,节省了频谱资源,接收机可采用现有的中短波收音机或新的数字收音机,价格低廉,易于推广。与DAB相比,FM HD Radio最大的优点是投资较低,不需要新的频率指配,可实现模拟/数字同播运行,实现由模拟到数字的平滑过渡。而频谱利用率、传输质量与DAB基本相同,移动接收的能力从理论上讲能满足要求,但要比DAB稍差(DAB可满足最大250km/h。数字广播技术多样化的出现,与各个国家和地区的实际情况相关,不能单从技术的角度来作出哪一种广播技术好的定论。比如,实现模拟FM广播